Глава 9. Датчики экологического равновесия

Там, где отступают физика и химия

Защиту окружающей среды от промышленных загрязнений называют сейчас проблемой века. И не удивительно - кого не волнует этот вопрос, ставший одним из самых актуальных и острых. Необходим четкий контроль за состоянием окружающей среды, и чтобы предотвратить надвигающуюся опасность, нужны приборы, которые вовремя сообщат о сдвигах экологического равновесия в природе.

Созданы совершенные аналитические приборы, которые быстро выдают количественную оценку содержания того или иного вещества в воздухе, в воде или в почве, точно определяют его концентрацию. Но с экологической точки зрения сведения только о концентрации мало что могут сказать о будущем состоянии живого сообщества. Для контроля за состоянием окружающей среды важны биологические эффекты, и провести его можно только с помощью "живых приборов", самих организмов, реагирующих на присутствие вредных веществ. Изучаются самые различные способы использования "живых приборов".

Во-первых, можно проводить биотестирование. Например, в водную среду вносятся гидробионты, живые организмы, обитающие в ней, и по их поведению, размножению, развитию и физиологическим показателям судят о наличии вредных веществ в воде. Сам организм выступает как датчик состояния окружающей среды и регистратор наличия вредных веществ в исследуемой пробе.

Биотестированием люди пользовались с давних времен: перед употреблением пищу проверяли на домашних животных. Известно, например, что многие восточные султаны специально держали в своих дворцах собак и перед каждой трапезой бросали им пищу для пробы и следили за их состоянием. А шахтеры брали в забои клетки с канарейками, которые начинали беспокоиться при первых признаках появления ядовитых рудничных газов, когда люди его еще не ощущали. Получается, что огромный газоанализатор непрерывного действия с автоматическим управлением и маленькая канарейка одинаково справляются с одной и той же задачей.

Какой бы совершенной ни была современная аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей, она не может сравниться со сложно устроенным "живым прибором", тонко реагирующим на токсические вещества. Ведь механизмы "живого прибора" формировались в процессе эволюции на протяжении многих миллионов лет. Правда, у "живого прибора" есть серьезный недостаток - он не может установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ благодаря своей высокой сверхчувствительности и анализу принятой информации. Но в этом есть и большое преимущество. Ведь с помощью физических и химических датчиков определяется одно и реже несколько веществ, а загрязнения бывают часто столь многокомпонентны, например сточные воды, что никакие созданные человеком приборы не смогут провести анализ этой смеси. Ведь в сточных водах встречаются сотни, а иногда и тысячи различных соединений. Вот здесь-то и выручат нас тест-объекты.

Во-вторых, "живыми приборами" могут стать сами организмы-индикаторы. Различные виды живых существ показывают, чем загрязнена окружающая среда. В загрязненных определенными веществами воде и почве могут жить только те организмы, которые приспособлены к высоким концентрациям тех или иных химических соединений. Вот такие виды и называются биоиндикаторами. Биоиндикацией, так же как и биотестированием, человек пользуется с незапамятных времен. По наличию некоторых видов растений человек находит воду, определяет соленость почв и обнаруживает полезные ископаемые. Иногда даже принимаются во внимание особенности строения организмов-индикаторов. Опытный глаз геолога сразу отметит: если появились уродливые формы растений, с наростами, с неправильным расчленением листьев, - значит в этой зоне можно искать битумы и нефть. По существу, это есть генетический индикатор, так как вредные фракции нефти нарушают морфогенез.

Не только видимые невооруженным глазом живые существа, но и микроскопические организмы могут "предупредить" о надвигающейся опасности загрязнения. Основываясь на микроскопических анализах активного ила, технологи по организмам-индикаторам не только могут определить, хорошо ли идет очистка сточных вод, но и сказать, где нарушен технологический процесс, не хватает кислорода, где поступают слишком токсичные сточные воды, недостает органических веществ для микроорганизмов. Позже мы расскажем о том, как пользуются технологи этими "живыми приборами".

Наконец, с помощью организмов можно определять концентрации вредных веществ, оказывающих отрицательное действие на их жизнедеятельность. Так, можно установить нормы, превышение которых может нарушить взаимосвязи, сложившиеся во всем живом сообществе.

Многообразна жизнь живого сообщества - биоценоза. Отточены связи между отдельными его звеньями. И если ядовитое вещество выбьет хотя бы одно наиболее чувствительное к нему звено, нарушение произойдет во всем биоценозе. Вот тут-то перед исследователями и встает задача найти не только "живой прибор", реагирующий на химическое соединение или излучение, а найти самый чувствительный к изучаемому фактору организм или даже отдельную стадию его индивидуального развития. Есть, оказывается, у "живых приборов" такая особенность, которой не встретишь у "железных" коллег. В процессе развития, на определенных стадиях, чувствительность к вредным веществам у организмов может возрастать в тысячи, а иногда и в миллионы раз. Такие стадии чаще всего встречаются в эмбриональном периоде и называются они критическими. Поэтому токсикологу, пользующемуся "живыми приборами", в буквальном смысле надо ловить эти промежутки времени, поскольку критические стадии длятся иногда несколько часов.

Каким же образом можно найти в биоценозе наиболее чувствительные к данному веществу организмы? Ведь на различные вещества организмы реагируют тоже по-разному. Интересную схему эксперимента предложил профессор МГУ Н. С. Строганов: получить избыточную информацию, взять спектр концентраций исследуемого вещества и испытать его на представительных организмах биоценоза. Как бы смоделировать в лаборатории действие токсикантов на различные цепи живого сообщества.

В группу представительных организмов берутся наиболее изученные и хорошо культивируемые в лабораториях организмы из каждой цепи биоценоза. Например, в водном биоценозе есть первичные продуценты - водоросли и высшие растения. Они синтезируют органическое вещество, используя солнечную энергию и минеральные соли, имеющиеся в водоеме. Но сразу же находятся потребители органического вещества, или первичные консументы, все те, кто питается растениями: микроскопические рачки, заглатывающие одноклеточные водоросли, и даже огромные рыбы, такие как белый амур и толстолобики. Первичные консументы - это уже второй уровень пищевых цепей биоценоза. А вторичные консументы питаются первичными. Это самые крупные водные животные, в основном рыбы. Они составляют третий уровень пищевых цепей в водоеме. Хищные рыбы и люди - это уже четвертый уровень. Наконец, не надо забывать самых малых тружеников, бактерий. Их задача - до конца редуцировать органическое вещество, трупы животных, органические остатки снова перевести в минеральные вещества и замкнуть тем самым вечный круговорот жизни - ведь минеральные вещества снова начнут использовать растения.

Из каждого уровня биоценоза отбираются представители для токсикологического эксперимента.

Из растений удобнее всего взять одноклеточные водоросли хлореллу и сценедесмус, а также всем известную ряску, иногда летом покрывающую всю поверхность маленьких водоемчиков. Из первичных консументов берут планктонных ракообразных, чаще всего дафний, которыми буквально кишат пруды, а из донных животных, питающихся растительной пищей, - моллюсков прудовиков. И наконец, рыб на различных стадиях развития. Рыб лучше брать промысловых, так как именно их нужно защищать от вредных веществ. Очень чувствительной к токсикантам считается форель. И последнее. Нужно, чтобы и бактерии не пострадали от исследуемой на токсичность концентрации вещества: без них не завершится круговорот веществ.

Вот каким сложным путем приходится идти в настоящее время, чтобы, используя "живые приборы", установить предельно допустимую концентрацию вещества (ПДК). Понятно, что приходится пользоваться такой громоздкой схемой потому, что пока мы еще плохо знаем наиболее чувствительные периоды индивидуального развития у организмов и еще не разработаны теоретические основы реагирования живых систем на загрязнение окружающей среды. Со временем люди наберутся опыта и создадут наиболее гибкие системы, в которых "живые приборы" будут играть важную роль.